Что такое квантовое туннелирование?

Квантовое туннелирование — это явление в квантовой механике, когда частица, например, электрон, «проходит» через барьер, который по классическим законам физики она не должна была бы преодолеть. Это происходит из-за волновой природы частиц, описываемой функцией волны. Согласно принципу неопределенности, у частицы есть вероятность находиться за пределами обычной траектории, даже если её энергия недостаточна для преодоления барьера.

Это явление объясняет, например, процессы, происходящие в ядерных реакциях, таких как термоядерный синтез в звездах, или в полупроводниковых устройствах, таких как транзисторы или при мутации ДНК.

1. Классическое представление

В классической физике, например, если у нас есть частица, которая двигается в направлении барьера (например, стены или энергетического барьера), и её энергия меньше энергии барьера, то она не сможет его преодолеть. То есть, частица просто отскочит назад, потому что не обладает достаточной энергией для того, чтобы перейти через барьер.

2. Квантовая механика и волновая природа частиц

Однако в квантовой механике частицы не просто «точки», как в классической физике, они также обладают волновыми свойствами. Это означает, что для каждой частицы существует волновая функция, которая описывает вероятность нахождения частицы в той или иной точке пространства. Волновая функция распространяется не только в области, где частица может быть, но и в тех областях, где классически она не должна была бы оказаться — в том числе за пределами барьера.

3. Вероятность нахождения за барьером

Когда волновая функция частицы встречает барьер, она не обрывается на его границе, а постепенно затухает. Однако в некоторых случаях, в зависимости от свойств барьера (его ширины и высоты) и энергии частицы, вероятность того, что частица окажется по ту сторону барьера, не равна нулю. Это и есть туннелирование: частица пройдет барьер, даже если ее энергия недостаточна для преодоления этого барьера в классическом смысле.

4. Математическое описание

Для описания туннелирования используют уравнение Шредингера, которое описывает поведение волновой функции частицы. Волновая функция в области барьера не исчезает, а затухает экспоненциально, что означает, что вероятность нахождения частицы в этом «запрещенном» регионе постепенно уменьшается, но никогда не становится абсолютно нулевой. Это открывает возможность для того, чтобы частица «туннелировала» через барьер и оказалась на другой стороне.

5. Применение квантового туннелирования

Квантовое туннелирование имеет множество реальных применений, несмотря на свою странность:

• Ядерные реакции: В звездах, например, термоядерный синтез происходит за счет того, что ядра атомов (например, водорода) сталкиваются и сливаются, несмотря на то, что их положительные заряды должны отталкивать друг друга. Это возможно только благодаря квантовому туннелированию, которое позволяет ядрам преодолевать электростатический барьер.
• Полупроводниковые устройства: В транзисторах, которые лежат в основе большинства современных электронных устройств, туннелирование играет важную роль. Например, в сверхпроводниках и при создании туннельных диодов используется квантовое туннелирование для управления электрическим током.
• Молекулярная биология: Квантовое туннелирование также имеет значение в биохимических реакциях. Например, считается, что туннелирование может играть роль в некоторых реакциях ферментов.

6. Экспериментальные наблюдения

В реальной жизни квантовое туннелирование можно наблюдать, например, в туннельных микроскопах (например, сканирующем туннельном микроскопе, STM), который использует этот принцип для получения изображений поверхности на атомарном уровне.

Таким образом, квантовое туннелирование — это не просто абстрактное явление, а важный элемент, который лежит в основе множества природных и технологических процессов, несмотря на то, что оно противоречит нашему привычному представлению о мире.